El motor de ciclo Atkinson es un tipo de motor de combustión interna inventado por James Atkinson en 1882. El ciclo Atkinson está diseñado para proporcionar eficiencia a expensas de la densidad de potencia .
En algunos motores de automóviles modernos se utiliza una variación de este enfoque. Si bien originalmente se veía exclusivamente en aplicaciones eléctricas híbridas como el Toyota Prius de la generación anterior , los híbridos posteriores y algunos vehículos no híbridos ahora cuentan con motores con sincronización variable de válvulas , que pueden funcionar en el ciclo Atkinson como un régimen operativo a tiempo parcial, lo que brinda buenos resultados. economía mientras funciona en ciclo Atkinson y densidad de potencia convencional cuando funciona como motor convencional de ciclo Otto .
Diseño
Atkinson produjo tres diseños diferentes que tenían una carrera de compresión corta y una carrera de expansión más larga. El primer motor de ciclo Atkinson, el motor diferencial , usaba pistones opuestos. El segundo y más conocido diseño fue el motor de ciclo , que usaba un brazo sobre el centro para crear cuatro golpes de pistón en una revolución del cigüeñal. El motor alternativo tenía las carreras de admisión, compresión, potencia y escape del ciclo de cuatro tiempos en una sola vuelta del cigüeñal , y fue diseñado para evitar infringir ciertas patentes que cubren los motores de ciclo Otto . [1] El tercer y último motor de Atkinson, el motor utilitario , funcionaba como cualquier motor de dos tiempos.
El hilo común en todos los diseños de Atkinson es que los motores tienen una carrera de expansión que es más larga que la carrera de compresión, y con este método el motor logra una mayor eficiencia térmica que un motor de pistón tradicional. Los motores de Atkinson fueron producidos por British Gas Engine Company y también con licencia para otros fabricantes extranjeros.
Muchos motores modernos utilizan ahora una sincronización de válvulas no convencional para producir el efecto de una carrera de compresión más corta / carrera de potencia más larga. Miller aplicó esta técnica al motor de cuatro tiempos, por lo que a veces se lo conoce como el ciclo Atkinson / Miller, patente estadounidense 2817322 del 24 de diciembre de 1957. [2] En 1888, Charon presentó una patente francesa y exhibió un motor en el Paris Exposición en 1889. El motor de gas Charon (cuatro tiempos) usaba un ciclo similar al de Miller, pero sin sobrealimentador. Se lo conoce como el "ciclo de Caronte". [3]
Los diseñadores de motores modernos se están dando cuenta de las posibles mejoras en la eficiencia del combustible que puede proporcionar el ciclo tipo Atkinson. [4]
Atkinson "Motor diferencial"
La primera implementación del ciclo de Atkinson fue en 1882; a diferencia de las versiones posteriores, se dispuso como un motor de pistones opuestos , el motor diferencial Atkinson. [5] [6] En esto, un solo cigüeñal estaba conectado a dos pistones opuestos a través de un varillaje articulado que no tenía linealidad; durante media revolución, un pistón permaneció casi estacionario mientras que el otro se acercó a él y regresó, y luego, durante la siguiente media revolución, el segundo pistón mencionado estuvo casi estacionario mientras que el primero se acercó y regresó.
Así, en cada revolución, un pistón proporcionó una carrera de compresión y una carrera de potencia, y luego el otro pistón proporcionó una carrera de escape y una carrera de carga. Como el pistón de potencia permanecía retirado durante el escape y la carga, era práctico proporcionar escape y carga utilizando válvulas detrás de un puerto que estaba cubierto durante la carrera de compresión y la carrera de potencia, por lo que las válvulas no necesitaban resistir alta presión y podían ser del tipo más simple utilizado en muchas máquinas de vapor, o incluso válvulas de lengüeta .
Dibujo de patente del "motor diferencial" de Atkinson, 1882
Animación del motor diferencial Atkinson, 1882
Atkinson "Motor de ciclo"
El siguiente motor diseñado por Atkinson en 1887 se denominó "Motor de ciclo". Este motor usaba válvulas de asiento, una leva y un brazo sobre el centro para producir cuatro carreras de pistón por cada revolución del cigüeñal. Las carreras de admisión y compresión fueron significativamente más cortas que las carreras de expansión y escape.
Los motores "Cycle" fueron producidos y vendidos durante varios años por la British Engine Company. Atkinson también concedió licencias de producción a otros fabricantes. Los tamaños iban desde unos pocos hasta 100 caballos de fuerza.
Motor de gas Atkinson como se muestra en la patente de EE. UU. 367496, 1887
Animación del "motor de ciclo" de Atkinson, 1887
Atkinson "Utilite Engine"
El tercer diseño de Atkinson se denominó "Utilite Engine". [7] El motor "Cycle" de Atkinson era eficiente; sin embargo, su conexión era difícil de equilibrar para una operación de alta velocidad. Atkinson se dio cuenta de que se necesitaba una mejora para que su ciclo fuera más aplicable como motor de mayor velocidad.
Con este nuevo diseño, Atkinson pudo eliminar los vínculos y hacer un motor más convencional y bien equilibrado capaz de funcionar a velocidades de hasta 600 rpm y capaz de producir potencia en cada revolución, sin embargo, conservó toda la eficiencia de su "motor de ciclo "que tiene una carrera de compresión proporcionalmente corta y una carrera de expansión más larga. El Utilite funciona de manera muy similar a un motor estándar de dos tiempos, excepto que el puerto de escape está ubicado aproximadamente en la mitad del recorrido.
Durante la carrera de expansión / potencia, una válvula accionada por leva (que permanece cerrada hasta que el pistón se acerca al final de la carrera) evita que la presión se escape cuando el pistón pasa por el puerto de escape. La válvula de escape se abre cerca del final de la carrera; permanece abierto mientras el pistón regresa a la compresión, dejando que el aire fresco cargue el cilindro y el escape escape hasta que el pistón cubra el puerto.
Una vez que se cubre el puerto de escape, el pistón comienza a comprimir el aire restante en el cilindro. Una pequeña bomba de combustible de pistón inyecta líquido durante la compresión. La fuente de ignición probablemente fue un tubo caliente como en los otros motores de Atkinson. Este diseño dio como resultado un motor de dos tiempos con una compresión corta y una carrera de expansión más larga.
Utilite Engine probado como incluso más eficiente que los diseños anteriores de "diferencial" y "ciclo" de Atkinson. Se produjeron muy pocos y se sabe que ninguno sobrevive. La patente británica es de 1892, # 2492. No se conoce ninguna patente estadounidense para Utilite Engine.
Ciclo termodinámico ideal
El ciclo de Atkinson ideal consiste en:
- 1-2 isoentrópico , o reversible , adiabático de compresión
- 2-3 Calentamiento isocórico (Qp)
- 3-4 Calentamiento isobárico (Qp ')
- 4-5 Expansión isentrópica
- 5-6 Enfriamiento isocórico (Qo)
- 6-1 Enfriamiento isobárico (Qo ')
Motores modernos de ciclo Atkinson
A fines del siglo XX, el término "ciclo Atkinson" comenzó a usarse para describir un motor de ciclo Otto modificado , en el que la válvula de admisión se mantiene abierta más de lo normal, permitiendo un flujo inverso de aire de admisión hacia el colector de admisión. Este ciclo Atkinson "simulado" se utiliza sobre todo en el motor Toyota 1NZ-FXE de los primeros Prius .
La relación de compresión efectiva se reduce, durante el tiempo que el aire escapa libremente del cilindro en lugar de comprimirse, pero la relación de expansión no cambia (es decir, la relación de compresión es menor que la relación de expansión). El objetivo del ciclo Atkinson moderno es hacer que la presión en la cámara de combustión al final de la carrera de potencia sea igual a la presión atmosférica. Cuando esto ocurre, toda la energía disponible se ha obtenido del proceso de combustión. Para cualquier porción de aire, la mayor relación de expansión convierte más energía del calor en energía mecánica útil, lo que significa que el motor es más eficiente.
La desventaja del motor de ciclo Atkinson de cuatro tiempos frente al motor de ciclo Otto más común es la densidad de potencia reducida. Debido a que una porción más pequeña de la carrera de compresión se dedica a comprimir el aire de admisión, un motor de ciclo Atkinson no toma tanto aire como lo haría un motor de ciclo Otto de tamaño y diseño similar. Los motores de cuatro tiempos de este tipo que utilizan el mismo tipo de movimiento de la válvula de admisión pero que utilizan inducción forzada para compensar la pérdida de densidad de potencia se conocen como motores de ciclo Miller .
Motor rotativo de ciclo Atkinson
El ciclo de Atkinson se puede utilizar en un motor rotativo . En esta configuración, se puede lograr un aumento tanto en la potencia como en la eficiencia en comparación con el ciclo Otto. Este tipo de motor conserva una fase de potencia por revolución, junto con los diferentes volúmenes de compresión y expansión del ciclo Atkinson original.
Los gases de escape se expulsan del motor mediante barrido de aire comprimido. Esta modificación del ciclo de Atkinson permite el uso de combustibles alternativos como el diesel y el hidrógeno.
Las desventajas de este diseño incluyen el requisito de que las puntas del rotor sellen muy herméticamente en la pared exterior de la carcasa y las pérdidas mecánicas sufridas por la fricción entre piezas de forma irregular que oscilan rápidamente. Consulte los enlaces externos a continuación para obtener más información.
Vehículos que utilizan motores de ciclo Atkinson
Si bien un motor de pistón de ciclo Otto modificado que utiliza el ciclo Atkinson proporciona una buena eficiencia de combustible, es a expensas de una menor potencia por desplazamiento en comparación con un motor tradicional de cuatro tiempos. [8] Si la demanda de más potencia es intermitente, la potencia del motor puede complementarse con un motor eléctrico durante los momentos en que se necesita más potencia. Esto forma la base de una transmisión eléctrica híbrida basada en ciclos de Atkinson . Estos motores eléctricos se pueden utilizar independientemente o en combinación con el motor de ciclo Atkinson, para proporcionar los medios más eficientes de producir la potencia deseada. Este tren de transmisión entró en producción por primera vez a finales de 1997 en el Toyota Prius de primera generación .
A julio de 2018[actualizar], muchas transmisiones de vehículos híbridos de producción utilizan conceptos de ciclo de Atkinson, por ejemplo, en:
- Chevrolet Volt
- Chrysler Pacifica (tracción delantera) modelo monovolumen híbrido enchufable
- Ford C-Max (tracción delantera / mercado de EE. UU.) Modelos híbridos e híbridos enchufables
- Ford Escape / Mercury Mariner / Mazda Tribute eléctrico (tracción delantera y en las cuatro ruedas) con una relación de compresión de 12.4: 1
- Ford Fusion Hybrid / Mercury Milan Hybrid / Lincoln MKZ Hybrid eléctrico (tracción delantera) con una relación de compresión de 12.3: 1
- Honda Accord híbrido enchufable [9]
- Honda Accord Hybrid (tracción delantera)
- Híbrido enchufable Honda Clarity [10]
- Honda Insight (tracción delantera) [11]
- Honda Fit (tracción delantera) algunos de los motores de tercera generación cambian entre los ciclos Atkinson y Otto.
- Hyundai Sonata Hybrid (tracción delantera)
- Modelos de ciclo Hyundai Elantra Atkinson
- Hyundai Grandeur híbrido (tracción delantera)
- Hyundai Ioniq híbrido, híbrido enchufable (tracción delantera)
- Hyundai Palisade 3.8 L Lambda II V6 GDi
- Infiniti M35h híbrido (tracción trasera)
- Kia Forte 147 hp 2.0 solo gasolina (tracción delantera)
- Kia Niro híbrido (tracción delantera)
- Kia Optima Hybrid Kia K5 híbrido 500h (tracción delantera) con una relación de compresión de 13: 1
- Kia Cadenza Hybrid Kia K7 híbrido 700h (tracción delantera)
- Kia Telluride 3.8 L Lambda II V6 GDi
- Kia Seltos 2.0L (tracción delantera)
- Lexus CT 200h (tracción delantera)
- Lexus ES 300h (tracción delantera)
- Lexus GS 450h híbrido eléctrico (tracción trasera) con una relación de compresión de 13: 1
- Lexus RC F (tracción trasera)
- Lexus GS F (tracción trasera)
- Lexus HS 250h (tracción delantera)
- Lexus IS 200t (2016) [12]
- Lexus NX híbrido eléctrico (tracción en las cuatro ruedas)
- Lexus RX 450h híbrido eléctrico (tracción en las cuatro ruedas)
- Lexus LC (tracción trasera)
- Mazda Mazda6 (2013 para el año modelo 2014)
- Mercedes ML450 Hybrid (tracción en las cuatro ruedas) eléctrico
- Mercedes S400 Blue Hybrid (tracción trasera) eléctrico
- Mitsubishi Outlander PHEV (2018 para el año modelo 2019, tracción en las cuatro ruedas híbrida enchufable) [13]
- Renault Captur MK2 (PHEV)
- Renault Clio MK5 (HEV)
- Renault Mégane MK4 (PHEV)
- Subaru Crosstrek Hybrid (2018 para el año modelo 2019, tracción total)
- Toyota Camry Hybrid eléctrico (tracción delantera) con una relación de compresión de 12.5: 1
- Toyota Avalon Hybrid (tracción delantera)
- Toyota Highlander Hybrid (2011 y más reciente) [14]
- Toyota Prius híbrido eléctrico (tracción delantera) con una relación de compresión (puramente geométrica) de 13.0: 1
- Toyota Yaris Hybrid (tracción delantera) con una relación de compresión de 13.4: 1
- Toyota Auris Hybrid (tracción delantera)
- Toyota Tacoma V6 (a partir de 2015 para el año modelo 2016)
- Toyota RAV4 Hybrid (a partir de 2015 para el año modelo 2016)
- Toyota Sienna (2016 para el año modelo 2017, comienzo híbrido para el año modelo 2021)
- Toyota Venza (híbrido a partir del año modelo 2021)
- Toyota C-HR Hybrid (2016-presente)
Patentes
La patente de 1887 (US 367496) describe las conexiones mecánicas necesarias para obtener las cuatro carreras del ciclo de cuatro tiempos para un motor de gas dentro de una revolución del cigüeñal. [1] También hay una referencia a una patente de Atkinson de 1886 (US 336505), que describe un motor de gas de pistón opuesto . [6] La patente británica para el "Utilite" es de 1892 (# 2492).
Ver también
- Historia del motor de combustión interna
- Sincronización variable de válvulas
- Elevación de válvula variable
Referencias
- ↑ a b US 367496 , J. Atkinson, "Motor de gas", publicado el 2 de agosto de 1887
- ^ Patente de Estados Unidos 2.817.322
- ^ Donkin, Brian (1896). Un libro de texto sobre motores de gas, aceite y aire: o, Motores de combustión interna sin caldera . C. Griffin y compañía, limitada. pag. 152.
- ^ "Auto Tech: motores de ciclo Atkinson e híbridos" . Autos.ca . 2010-07-14 . Consultado el 23 de febrero de 2013 .
- ^ Gingery, Vincent (2000). Construcción del motor diferencial Atkinson . David J. Gingery Publishing, LLC. ISBN 1878087231.
- ↑ a b US 336505 , J. Atkinson, "Motor de gas", publicado el 16 de febrero de 1886
- ^ Secretario, Dugald (1913). El motor de gasolina, gasolina y aceite, Volumen 2 . J. Wiley. pag. 210.
- ^ Heywood, John B. Fundamentos del motor de combustión interna , p. 184-186.
- ^ Gauthier, Michael (21 de enero de 2013). "El Honda Accord Plug-in Hybrid gana el título de ser el sedán más eficiente en combustible de Estados Unidos" . worldcarfans.com . Consultado el 22 de enero de 2013 .
- ^ "2018 Honda Clarity Plug-in Hybrid" . www.honda.ca . Archivado desde el original el 26 de enero de 2018 . Consultado el 25 de enero de 2018 .
- ^ "2018 Honda Insight Hybrid" . www.honda.ca . Consultado el 14 de julio de 2018 .
- ^ "2016 Lexus IS - Rendimiento" . Estados Unidos: Lexus . Consultado el 9 de agosto de 2016 .
- ^ "2019 Outlander PHEV" . Estados Unidos: Mitsubishi . Consultado el 23 de febrero de 2018 .
- ^ Edmunds, Dan (24 de septiembre de 2010). "Prueba de carretera híbrida de Toyota Highlander 2011" . Edmunds.com . Consultado el 4 de julio de 2012 .
enlaces externos
- Comparación de motores primarios adecuados para fuentes de energía expedicionarias del USMC , laboratorio nacional de Oak Ridge
- Motores Libralato : desarrollo de un motor de ciclo Atkinson rotativo
- Motor de ciclo rotativo Atkinson : proporciona detalles de este motor, así como comparaciones con motores convencionales y Wankel.
- Los secretos no tan secretos del kilometraje de gasolina del Prius: cómo el Prius utiliza el ciclo Atkinson para obtener mejores resultados que un motor de ciclo Otto
- James Atkinson en Find A Grave - detalles personales